西安交大物理学院李郁博科研团队与合作者首次发现Ds0(2317)+电磁辐射衰变

科研动态6天前更新西安交通大学

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文章导读

一个粒子在被发现后的21年里，始终让物理学家陷入一种诡异的矛盾：它的实际质量，竟然远低于理论预言。这种“质量之谜”让人们猜测它究竟是简单的夸克组合，还是某种复杂的“分子态”结构。直到最近，西安交大李郁博团队通过Belle和Belle II实验，捕捉到了一个此前从未被观测到的电磁辐射衰变信号。实测的分支比数值极其微妙，它不仅推翻了大多数主流模型的预言，更揭示出该粒子内部可能隐藏着某种更复杂的结构。这个被隐藏了二十年的秘密，究竟在暗示什么样的物理新世界？

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近日，国际大科学装置合作实验Belle和Belle II首次观测到Ds0(2317)+的一种此前从未发现的新衰变模式——电磁辐射衰变。这一发现为破解该粒子长期存在的质量之谜提供了关键实验依据，并有助于深入探索束缚物质的基本相互作用。论文最近发表在国际著名物理期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被美国物理学会(APS)作为物理亮点重点报道(Featured in Physics)。

2003年，物理学家探测到一种名为Ds0(2317)+的粒子，它包含一个粲夸克和一个奇异反夸克。这一发现迅速引起了广泛粒子物理学家的关注，因为该粒子的实验测量质量（2.317 GeV）与其理论预言质量（高于2.4 GeV）之间存在显著的差异。为了解释这一质量差异，科学家提出了多种关于该粒子内部结构的理论模型。辐射衰变作为探测粒子内部结构的理想探针，不同模型给出了辐射衰变Ds0(2317) →Ds*𝛾和强衰变过程𝐷𝑠0(2317)→𝐷𝑠 𝜋0分支比比值(R)可能的取值范围。如果R高于8.1%，则支持该粒子为紧凑型夸克-反夸克态的模型；反之，如果R在0.5%至4.25 %之间，则𝐷𝑠0(2317)+更符合两个介子组成的“分子”的模型。

研究团队利用Belle和Belle II实验在10.58 GeV附近采集的全球最大的𝑒𝑒→𝑐𝑐数据样本，以超过10倍标准差的统计显著性，首次发现Ds0(2317) →Ds*𝛾过程，并测得其与强衰变过程𝐷𝑠0(2317)→𝐷𝑠 𝜋0过程的分支比比值约为7%，这一数值低于大多数夸克-反夸克模型的预言，但高于大多数分子态模型的预言（见图所示），表明𝐷𝑠0(2317)+可能具有更复杂的内部结构。

西安交通大学物理学院李郁博副教授和复旦大学沈成平教授为该工作主要完成人。论文由Belle和Belle II合作组全体成员署名，按姓氏英文字母顺序排列。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划及西安交通大学青年拔尖人才计划的资助。

西安交大物理学院李郁博科研团队与合作者首次发现Ds0(2317)+电磁辐射衰变

图 ℬ(𝐷𝑠0(2317)+→𝐷𝑠∗+𝛾)/ℬ(𝐷𝑠0(2317)+→𝐷𝑠+𝜋0)的实验测量值与理论预言值对比

Belle和Belle II是由来自世界各地的126个单位的约1200名科研工作者共同参与的大型国际合作组，也是目前世界上对撞亮度最高的正负电子对撞实验。Belle实验曾因发现B介子的电荷共轭-宇称联合破坏（CP破坏）现象，为理解宇宙中物质-反物质不对称性提供了关键突破，并直接推动了2008年诺贝尔物理学奖的颁发。作为Belle实验的升级版，Belle II实验采用更先进的探测技术和更高的对撞亮度，致力于在新物理领域取得突破性发现。西安交通大学物理学院于2024年正式加入Belle II国际合作组，成为该实验的重要合作力量，在强子谱学、重味衰变和量子色动力学等前沿方向上开展深入研究。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/vcld-225s

PRL新闻报道：https://physics.aps.org/articles/v19/s77